Quando un'onda dell'oceano lambisce una spiaggia, contiene innumerevoli vortici e vortici. L'acqua del mare forma schemi complessi ad ogni livello, dalle onde catturate dai surfisti alle increspature troppo piccole e veloci perché l'occhio umano possa notarle. Ogni movimento innesca un'altra serie di movimenti, che si riversano a cascata attraverso strati d'acqua.

Ciò che è semplicemente scenografico in una spiaggia è essenziale per gli scienziati capirlo. Descrivere in modo più accurato il modo in cui il calore si muove attraverso l’oceano potrebbe aiutare gli scienziati a sviluppare modelli computerizzati migliori e più precisi del clima terrestre. Comprendere la turbolenza, ovvero il movimento irregolare dei fluidi, nell'oceano aiuterebbe i ricercatori a risolvere questo problema.

Gli scienziati dell’Università di Cambridge e dell’Università del Massachusetts Amherst hanno utilizzato il supercomputer Summit presso l’Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) del Dipartimento dell’Energia per eseguire un nuovo modello di turbolenza oceanica. (L'OLCF è una struttura utente del DOE Office of Science.) Il lavoro è pubblicato nel Journal of Turbulence .

Il computer ha simulato un generico cubo di 10 metri di acqua oceanica. Anche se non sembra molto grande, anche solo questa piccola porzione di oceano è incredibilmente complessa. Per analizzare le variazioni fino al centimetro, il programma simula il cubo d'acqua su una griglia digitale. Questo cubo digitale era composto da quasi 4 trilioni di punti della griglia.

Con il modello, gli scienziati hanno analizzato come la turbolenza influenza il calore che si muove attraverso l’acqua di mare. Nell'oceano reale, il sole riscalda l'acqua in superficie. L’acqua fredda si trova sul fondo del fondale oceanico. Il calore si disperde attraverso i diversi strati d'acqua, ma non si tratta di una serie di cambiamenti costanti o piccoli. L'acqua è una combinazione di aree relativamente tranquille e di aree che si mescolano vigorosamente di tanto in tanto. L'incoerenza della turbolenza è una delle cose che la rendono così complicata.

Questo nuovo modello è stata la simulazione più dettagliata finora di questi processi. In precedenza, i computer semplicemente non erano abbastanza potenti da gestire strati su strati di complessità e catturare il movimento su una vasta gamma di scale.

Per gestire queste limitazioni, i modelli precedenti hanno condensato tutte le azioni che si verificano in diverse parti dell’acqua in un’unica misurazione media. Inoltre, hanno utilizzato un valore basso di un rapporto importante per misurare la turbolenza e la dissipazione del calore nei flussi oceanici realistici. Ma ciò ha confuso i singoli cambiamenti e i loro effetti.

Al contrario, il nuovo modello utilizzava un valore del rapporto molto più elevato e mostrava come si verifica la turbolenza in condizioni realistiche. Ha permesso agli scienziati di tracciare l’ondata iniziale di turbolenza e poi seguirla finché non si è attenuata. Il nuovo modello ha inoltre permesso loro di ingrandire diversi livelli per esaminare dettagli specifici.

I dati di queste nuove simulazioni mettono in discussione alcune teorie di vecchia data sulla turbolenza. In precedenza, gli scienziati pensavano che i fluidi freddi e caldi si mescolassero tra loro più o meno alla stessa velocità. Il modello suggerisce che i fluidi più caldi si mescolano più lentamente della quantità di moto generata dalla turbolenza.

Oltre a migliorare i modelli climatici, queste informazioni possono fornire informazioni su altre aree influenzate dalla dinamica dei fluidi. Potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio come l’inquinamento si diffonde attraverso l’acqua o l’aria. Questo è importante per gli scienziati che lavorano per aiutare le comunità e gli ecosistemi colpiti dall'inquinamento.

Con il supercomputer Frontier ancora più potente ora disponibile presso OLCF, gli scienziati di questo progetto sperano di espandere ulteriormente la loro comprensione di questo argomento complesso. Le onde dell'oceano sono bellissime, ma lo sono anche i dati che ci aiutano a comprenderle.

Ulteriori informazioni: James J. Riley et al, L'effetto del numero Prandtl sul decadimento della turbolenza stratificata, Journal of Turbulence (2023). DOI:10.1080/14685248.2023.2178654

Fornito dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti